CC BY
99
Общая и прикладная механика Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4 (2), с. 44-46
УДК 519.6
МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАНИПУЛЯТОРА НАВЕДЕНИЯ КОСМИЧЕСКОГО ТЕЛЕСКОПА «МИЛЛИМЕТРОН»
© 2011 г. Ю.Н. Артеменко
Астрокосмический центр Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, Москва
Поступила в редакцию 15.06.2011
Одной из важнейших проблем создания космической обсерватории «Миллиметрон» (проект «Спектр-М») является задача наведения раскрываемого телескопа диаметром 10-12 м с точностью до 0.3-0.1 угл. сек., усложняющаяся нежесткой гантелеобразной конструкцией КА с постоянно ориентированными на Солнце радиационными экранами для защиты телескопа от солнечного нагрева. Предлагается применить специальное многофункциональное устройство - манипулятор наведения, представляющий собой набор из нескольких одиночных гексаподов (платформа Гофа - Стюарта), работающих как единое целое устройство. Использование манипулятора наведения в проекте «Миллиметрон» позволяет обеспечить: выдвижение телескопа из транспортного положения в рабочее; наведение телескопа на любой пространственный угол в полусфере, ограниченной экранами системы радиационного охлаждения телескопа; сохранение неизменными положений центров масс телескопа и КА (или очень близких к ним) при наведении телескопа; ориентацию КА; снижение стабилизационных колебаний телескопа; разгрузку двигателей-маховиков КА и решить другие задачи. В результате предполагаемое устройство преобразовалось в трансформируемый многофункциональный космический робот-манипулятор для обеспечения навигационных задач орбитальной астрофизической обсерватории «Миллиметрон».
Ключевые слова: телескоп, космический робот-манипулятор наведения, гексапод, обсерватория «Миллиметрон».
Федеральной космической программой России предусматривается создание космической обсерватории «Миллиметрон» (проект «Спектр-М») с раскрываемым телескопом диаметром 1012 м, работающим в диапазоне волн от 20 мкм до 20 мм. Особенностью телескопа является его охлаждение до 4 К, что обеспечит ему сверхвысокую чувствительность.
Проблемы с высокой точностью наведения телескопа и его стабилизации во время работы проявились из-за необходимости разнести на значительное расстояние между собой телескоп и служебный модуль, на котором размещаются двигатели коррекций и стабилизации и двигатели-маховики. Центр массы космического аппарата (КА) оказался посередине, а его положение сильно зависит от положения центра масс (ц.м.) телескопа при его поворотах, что сказывается на возможностях двигателей-маховиков парировать возникающие моменты при повороте телескопа и стабилизировать возникающие колебания.
Для наведения телескопа целесообразно использовать манипулятор, выполненный в виде многозвенного гексапода. Манипулятор вместе с телескопом при его повороте образуют махо-
вик в гантелеобразной конструкции КА. Для исключения закрутки КА вокруг его осей поворот телескопа должен происходить вокруг неподвижного центра системы «телескоп-манипулятор», а следовательно неподвижного ц.м. КА. Возникающие моменты инерции должны гаситься двигателями-маховиками КА, установленными на служебном модуле, т.е. на другой стороне гантелеобразной конструкции КА. Особенностями манипулятора являются возможность контроля и изменения положения ц.м. телескопа и положения его оси, что обеспечивает высокоточное наведение телескопа, коррекцию высокоточного наведения телескопа при изменении ориентации КА в процессе наблюдений, выполнения режима сканирования телескопа, снижение стабилизационных колебаний телескопа и проводить разгрузку двигателей-маховиков КА.
Как следует из работ В. А. Глазунова, А.П. Карпенко, Ю.Т. Коганова и др., манипуляторы на основе гексапода имеют замкнутые кинематические цепи и воспринимают нагрузку как пространственные фермы. Штанги этих механизмов работают на растяжение-сжатие, что ведет к повышению жесткости всей конструкции и,
как следствие, к повышению точности позиционирования и грузоподъемности механизмов.
Эти особенности гексаподов, используемые в манипуляторе наведения, обеспечивают более высокую жесткость манипулятора по сравнению с другими возможными механизмами с параллельной структурой и конструкциями космической обсерватории - рефлектором телескопа, опоры системы охлаждения (ОСО) теплозащитных экранов солнечных батарей.
Манипулятор наведения в процессе летной эксплуатации будет испытывать значительные нагрузки, вызванные моментами инерции телескопа, масса которого составляет около 2 тонн, при его поворотах, а также влиянием внутренних и внешних сил со стороны КА, вызванных поворотом связной антенны диаметром 1.5 м, коррекции орбиты КА и его ориентации, давления солнечного света на КА и вызванных всем этим стабилизационных колебаний КА.
Основным режимом работы манипулятора является режим программного наведения телескопа на любой пространственный угол в полусфере, ограниченной экранами системы радиационного охлаждения телескопа, вокруг неподвижного центра масс КТ.
При этом в массу телескопа, кроме рефлектора и криоконтейнера с научной аппаратурой, включается манипулятор и кабельная петля, проходящая внутри него. Положение оси телескопа определяется нормалью к плоскости верхнего гексапода манипулятора, проходящей через ее центр. Технологическое несовпадение оси с нормалью выявляется при юстировке телескопа в космосе и вводится в виде поправки в систему управления (СУ) манипулятора. Ось телескопа будет проходить через его ц.м. только при вертикальном положении манипулятора и нулевом угле поворота телескопа.
При любом другом угле поворота телескопа манипулятор будет изгибаться, а, следовательно, будет меняться положение его ц.м. Максимальное отклонение оси телескопа от его ц.м. будет достигаться при угле поворота 90°. В общем случае при введении двух систем координат (СК) телескопа - одна базовая СК с центром в ц.м. телескопа, а другая - оптическая СК с центром в центре верхнего основания, расстояние между центрами обоих СК при поворотах телескопа будут меняться по всем трем координатам.
Приняв за основу неподвижность ц.м. при повороте телескопа, получим сложную траекторию перемещения центра верхнего основания гексапода, характеризующего ось телескопа. В этом случае для достижения оптимальности пе-
ремещений манипулятора из одного положения в другое (изменение углов наведения) все гексаподы манипулятора должны реализовать не только линейные, но и вращательные степени свободы.
Последний гексапод манипулятора (ближайший к телескопу) должен реализовать все 6 степеней свободы, включая поворот вокруг оси телескопа, так как это необходимо при юстировке телескопа для выявления систематических ошибок прецессии оси при стабилизационных колебаний телескопа, а также при сканировании телескопа и в режимах высокоточного наведения и стабилизации телескопа, когда будут задействованы пьезодвигатели, установленные наконечниками на стержни верхнего гексапода.
Имеется возможность складывания манипулятора в транспортное положение. Гексаподы для этого подходят лучше других механизмов с параллельной структурой. Из известных вариантов складывания гексаподов, например путем раздвижения сторон промежуточных треугольных оснований многозвенных манипуляторов, подходят только те, которые проходят по ограничению диаметра обтекателя РН. Диаметр манипулятора в сложенном состоянии не должен превышать 3 метров. А из условий жесткости конструкции крайние основания манипулятора составляют 3 метра в диаметре по центрам закрепленных на них шарниров, что определяется диаметром ОСО и криоконтейнера, и по 2 метра промежуточных оснований для обеспечения достаточного места внутри оснований диаметром не менее 1 м для прохождения кабельной петли и приспособлений ее крепления к манипулятору
Количество звеньев манипулятора определилось из расчета и вышеперечисленных условий и оказалось равным пяти. В этом случае исключаются проявления интерференции отдельных кинематических цепей манипулятора, т.е. их соприкосновения и потери управляемости в некоторых конфигурациях манипулятора, и сохраняются качества гексаподов, о кото -рых говорилось выше. Максимальная высота пятизвенного манипулятора достигается 9 метров, и он может реализовать все перечисленные режимы работы, как для 10-метрового телескопа, так и для 12-метрового.
Проблема задания движений манипулятора в обобщенных координатах, связанных со степенями подвижности манипулятора, решается современными вычислительными и программными средствами распределенного интеллектуального адаптивного управления на основе нейронных сетей.
Манипуляторы состоят из большого количества шарниров, двигателей, датчиков. У 5-звенного манипулятора количество стержней, двигателей и датчиков достигает 30 штук, количество шарниров составляет 60 штук. Для сравнения: у ОСО КТ «ММ» количество шарниров составляет 360 штук. Количество механизмов раскрытия с приводом — 4 штуки.
Повышение надежности электродвигателей в космической технике достигается за счет дублирования обмоток электродвигателя и подводящих цепей, что будет сделано и в манипуляторе. Кроме этого, манипулятор следует рассматривать не только как совокупность отдельных гексаподов и их систем управления, но и как распределенную интеллектуальную систему всех входящих элементов с адаптивным управлением на основе нейронных сетей. В этом случае отказ одного двигателя какого-то гексапода не приводит его к выходу из строя, а только к ограничению его возможностей и незначительному ухудшению работы всего манипулятора.
Преимущества системы наведения космического телескопа (КТ) на основе манипулятора заключаются в следующем:
1. Наведение КТ осуществляется одной системой.
2. На систему наведения возлагаются функции стабилизации телескопа, ориентации КА и разгрузки двигателей-маховиков КА.
3. Система обеспечивает увеличение наблюдательного времени КТ за счет повышения скорости наведения, сокращения времени стабилизации КТ, сокращения количества и времени разгрузки маховиков.
В результате проведенных исследований была достигнута поставленная цель - обеспечение поворота телескопа на любой пространственный угол при сохранении неизменным его центра массы.
Работа выполнена совместно с научными сотрудниками ИПМаш РАН А.Е. Городецким, В.В. Дубаренко и А.Ю. Кучминым в инициативном порядке.
MULTI-FUNCTIONAL APPLICATION OF THE MANIPULATOR OF DIRECTING OF THE SPACE TELESCOPE «MILLIMETRON»
Yu.N. Artemenko
One of the most important problems of the design of the space observatory «Millimetron» (the proj ect «Spectrum - M») is the task of directing of opening telescope of the diameter 10-12 m with the accuracy up to 0.3-0.1''. This task is aggravated by a nonrigid dumb-bell shaped construction of the space apparatus with radiation screens with permanent orientation to the Sun used for protecting the telescope from warming in the Sun. A special multi-functional device, a directing manipulator, is suggested which represents a set of several single hexapods (Gough - Stewart platform) working as a united complete devise. In the project «Millimetron», an application of the directing manipulator allows: transforming the telescope from transportation shape to the working one; directing the telescope to any spatial angle in the half-sphere limited by the screens of the radiation cooling of the telescope; maintaining a constant situation of the mass centre of the telescope and space apparatus (ore very closed to them) by directing the telescope; orientation of the space apparatus; decreasing stabilization oscillations of the telescope; decreasing the load of the actuators - hand-wheels of the space apparatus etc. As a result, the suggested devise is reshaped to transformable multi-functional space robot-manipulator for navigation tasks of the orbital astrophysical observatory «Millimetron»
Keywords: telescope, directing space robot-manipulator, hexapod, observatory «Millimetron».
